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Superficies de Bézier

Leonardo Fernández Jambrina

Matemática AplicadaE.T.S.I. Navales

Universidad Politécnica de Madrid

L. Fernández (U.P.M.) Modelado geométrico: Superficies de Bézier 1 / 24

De curvas a superficies

Las superficies son mucho más complejas geométricamente quelas curvas.

No obstante, el diseño está basado tradicionalmente en curvas.

“Buenas curvas hacen buenas superficies” (refrán popular)

c0(v)

c1(v)

c2(v)


Generación de superficies

¿Cómo podemos generar superficies a partir de curvas?

Si desplazamos los vértices del polígono de control a lo largo decurvas, {c0(v), . . . , cm(v)}, v ∈ [0,1],

c(u, v) =m∑

i=0

ci(v)Bmi (u),

las curvas de Bézier c(u, v0), de polígonos {c0(v0), . . . , cm(v0)},evolucionan en el espacio describiendo una superficie c(u, v).



¿Cómo podemos generar superficies a partir de curvas?

Si desplazamos los vértices del polígono de control a lo largo decurvas, {c0(v), . . . , cm(v)}, v ∈ [0,1],

c(u, v) =m∑

i=0

ci(v)Bmi (u),

las curvas de Bézier c(u, v0), de polígonos {c0(v0), . . . , cm(v0)},evolucionan en el espacio describiendo una superficie c(u, v).

Por coherencia, parece razonable postular que la evolución de losvértices sea también polinómica,

ci(v) =n

∑

j=0

(ci )jBnj (v),




ci(v) =n

∑

j=0

(ci )jBnj (v),

La superficie resultante será polinómica de grado m en u y n en v(bigrado (m,n)),

c(u, v) =m∑

i=0

n∑

j=0

ci ,jBmi (u)Bn

j (v), u, v ∈ [0,1].

c0(v)

c1(v)

c2(v)




ci(v) =n

∑

j=0

(ci )jBnj (v),

La superficie resultante será polinómica de grado m en u y n en v(bigrado (m,n)),

c(u, v) =m∑

i=0

n∑

j=0

ci ,jBmi (u)Bn

j (v), u, v ∈ [0,1].

c0,0

c1,0

c2,0

c0,1

c0,2

c2,2c1,1

c2,1

c1,3c1,2

c2,3


Estructura del curso

Curvas polinómicas.

Curvas racionales.

Curvas spline.

Superficies de Bézier.

Generación de superficies.


Esquema

1 Motivación

2 Superficies de Bézier

3 Propiedades de las superficies

4 Algoritmo de De Casteljau

5 Elevación del grado

6 Derivadas

7 Interpolación y aproximación


Superficies de Bézier

Una superficie polinómica de Bézier de bigrado (m,n) se define

por una malla de control ,

c0,0 · · · c0,n...

. . ....

cm,0 · · · cm,n

.

c(u, v) =m∑

i=0

n∑

j=0

ci ,jBmi (u)Bn

j (v), u, v ∈ [0,1].

Nótese que la base de funciones es partición de la unidad,

m∑

i=0

n∑

j=0

Bmi (u)Bn

j (v) ≡ 1.

Esto permite que las superficies hereden las buenas propiedadesde las curvas.


Superficies B-spline

Sustituir los polinomios de Bernstein por las funciones B-spline.Una superficie B-spline de bigrado (m,n) y M × N tramos precisados listas de nudos, {u0, . . . ,u2m+M−2}, {v0, . . . , v2n+N−2} y unamalla B-spline formada por {d0,0, . . . ,dm+M−1,n+N−1}.Está parametrizada en [um−1,um+M−1]× [vn−1, vn+N−1],

c(u, v) =m+M−1∑

i=0

n+N−1∑

j=0

di ,jNmi (u)Nn

j (v),

Las listas suelen comenzar y acabar con m y n nudos repetidos.El algoritmo de inserción, de De Boor. . . hay que aplicarlos a lamalla en dos pasadas: una para las filas y otra para las columnas.

d3,0

d0,0

d0,1

d0,2

d1,0

d1,1

d1,2

d1,3

d2,0d2,1

d2,2d2,3

d3,1d3,2 d3,3


Superficies racionales de Bézier

Si la superficie es racional, es preciso dar además la matriz de

pesos de los vértices,

w0,0 · · · w0,n...

. . ....

wm,0 · · · wm,n

,

c(u, v) =

m∑

i=0

n∑

j=0

wi ,jci ,jBmi (u)Bn

j (v)

m∑

i=0

n∑

j=0

wi ,jBmi (u)Bn

j (v)

, u, v ∈ [0,1].

c0,0

c0,1

c0,2

c1,0

c1,1

c1,2


Superficies racionales B-spline

Una superficie NURBS de bigrado (m,n) y M × N tramos precisados listas de nudos, {u0, . . . ,u2m+M−2}, {v0, . . . , v2n+N−2} y unamalla B-spline formada por {d0,0, . . . ,dm+M−1,n+N−1} y la matriz

de pesos de los vértices,

w0,0 · · · w0,n+N−1...

. . ....

wm+M−1,0 · · · wm+M−1,n+N−1

.

Está parametrizada en [um−1,um+M−1]× [vn−1, vn+N−1],

c(u, v) =

m+M−1∑

i=0

n+N−1∑

j=0

wi ,jdi ,jNmi (u)Nn

j (v),

m+M−1∑

i=0

n+N−1∑

j=0

wi ,jNmi (u)Nn

j (v).


Propiedades de las superficies de Bézier

Invariancia afín (proyectiva para superficies racionales): Laimagen de una superficie de malla {c0,0, . . . , cm,n} bajo unaaplicación afín f es una superficie de malla {f (c0,0), . . . , f (cm,n)}.

Envolvente convexa: La superficie sigue estando comprendidaen el menor poliedro convexo que contenga a todos los vérticesde la malla.

c0,0

c0,1

c1,0

c1,2

c1,1

c2,0

c2,1

c2,2


Propiedades de las superficies de Bézier

Invariancia afín (proyectiva para superficies racionales): Laimagen de una superficie de malla {c0,0, . . . , cm,n} bajo unaaplicación afín f es una superficie de malla {f (c0,0), . . . , f (cm,n)}.Envolvente convexa: La superficie sigue estando comprendidaen el menor poliedro convexo que contenga a todos los vérticesde la malla.


Borde de la superficie

Extremos: La superficie sólo pasa por las esquinas de la malla,

c0,0 = c(0,0), cm,0 = c(1,0), c0,n = c(0,1), cm,n = c(1,1).

c0,0

c1,0

c2,0

c0,1

c0,2

c2,2c1,1

c2,1

c1,3c1,2

c2,3

Bordes: Las filas y columnas del borde la malla describen elborde de la superficie.La curva u = 0,

c(0, v) =m∑

i=0

n∑

j=0

ci ,jBmi (0)Bn

j (v) =n

∑

j=0

c0,jBnj (v), v ∈ [0,1],

tiene por polígono {c0,0, . . . , c0,n}, primera fila de la malla.




c0,0 = c(0,0), cm,0 = c(1,0), c0,n = c(0,1), cm,n = c(1,1).

Bordes: Las filas y columnas del borde la malla describen elborde de la superficie.

La curva u = 0, tiene por polígono {c0,0, . . . , c0,n}, primera fila dela malla.

La última fila, {cm,0, . . . , cm,n}, es el polígono de la curva c(1, v).

El polígono de c(u,0) es la primera columna, {c0,0, . . . , cm,0}.

El polígono de c(u,1) es la última columna, {c0,n, . . . , cm,n}.

Estas propiedades se mantienen en las superficies spline en elcaso de nudos repetidos.




c0,0 = c(0,0), cm,0 = c(1,0), c0,n = c(0,1), cm,n = c(1,1).

Bordes: Las filas y columnas del borde la malla describen elborde de la superficie.


Control local

Control local: Las superficies spline siguen teniendo estapropiedad.

Un vértice de la malla de control afecta a lo sumo a(m + 1) · (n + 1) tramos de la superficie.

Obviamente, un vértices próximo al borde afecta a menos tramos.


Control local

Control local: Las superficies spline siguen teniendo estapropiedad.Un vértice de la malla de control afecta a lo sumo a(m + 1) · (n + 1) tramos de la superficie.Obviamente, un vértices próximo al borde afecta a menos tramos.


Pesos

Al aumentar un peso, la superficie se acerca al vérticecorrespondiente de la malla.

Un peso afecta a lo sumo a (m + 1) · (n + 1) tramos de lasuperficie.

c0,0 c0,1

c1,0c2,0 c1,2

c2,2

c0,0 c0,1

c1,0 c2,0 c1,2

c2,2

c1,1c1,1

c0,2c0,2


Pesos

Al aumentar un peso, la superficie se acerca al vérticecorrespondiente de la malla.

Un peso afecta a lo sumo a (m + 1) · (n + 1) tramos de lasuperficie.


Problemas de las superficies de Bézier

Esta representación de las superficies se conoce comorepresentación producto tensorial , porque la base de funcioneses el producto de las bases de polinomios en las variables u, v .

Es cómoda para superficies abiertas.

Presenta problemas en otras topologías (cilindros, esferas), yaque suelen requerir mallas degeneradas (vértices repetidos).

c0,0 c0,1

c0,2

c1,0c1,1

c1,2c2,0c2,1c2,2


Problemas de las superficies de Bézier

Esta representación de las superficies se conoce comorepresentación producto tensorial , porque la base de funcioneses el producto de las bases de polinomios en las variables u, v .Es cómoda para superficies abiertas.Presenta problemas en otras topologías (cilindros, esferas), yaque suelen requerir mallas degeneradas (vértices repetidos).Existen otras representaciones más versátiles: triángulos deBézier .

c002

c200c101

c011

c020

c110

u=0

v=0

w=0


Algoritmo de De Casteljau

No presenta problemas aplicarlo a una superficie de malla{c0,0, . . . , cm,n}.

Se aplica dos veces:

La primera a las n + 1 columnas de la malla,

c0,0 · · · c0,n...

. . ....

cm,0 · · · cm,n

−→ {c0(u), . . . , cn(u)} −→ c(u, v),

y la segunda al polígono resultante. O a la inversa.


Polarización

Del mismo modo, se define la polarización c[u1, . . . ,um; v1, .., vm]resultado de interpolar con un valor distinto en cada paso delalgoritmo.Recupera los vértices, ci ,j = c[0<m−i>,1<i>;0<n−j>,1<j>].Restricción: si queremos restringir la superficie a los intervalosu ∈ [a,b], v ∈ [c,d ], los vértices de la nueva malla son

c̃i ,j = c[a<m−i>,b<i>; c<n−j>,d<j>].


Elevación del grado

Si tenemos una malla de bigrado (m,n), {c0,0, . . . , cm,n} laexpresamos como superficie de bigrado (m + 1,n) aplicando elalgoritmo de elevación a las n + 1 columnas de la malla.

c(u, v) =m∑

i=0

n∑

j=0

ci ,jBmi (u)Bn

j (v) =m+1∑

i=0

n∑

j=0

c1,0i ,j Bm+1

i (u)Bnj (v),

c1,0i ,j =

(

1 −i

m + 1

)

ci ,j +i

m + 1ci−1,j ,

Si queremos elevar el bigrado a (m,n + 1), aplicamos el algoritmoa las m + 1 filas de la malla de control,

c(u, v) =

m∑

i=0

n∑

j=0

ci ,jBmi (u)Bn

j (v) =m∑

i=0

n+1∑

j=0

c0,1i ,j Bm

i (u)Bn+1j (v),

c0,1i ,j =

(

1 −j

n + 1

)

ci ,j +j

n + 1ci ,j−1.




c(u, v) =

m∑

i=0

n∑

j=0

ci ,jBmi (u)Bn

j (v) =m+1∑

i=0

n∑

j=0

c1,0i ,j Bm+1

i (u)Bnj (v),

c1,0i ,j =

(

1 −i

m + 1

)

ci ,j +i

m + 1ci−1,j ,

c0,0

c0,1

c0,2

c1,1

c1,2

c2,0

c2,1

c2,2

c’0,0

c’0,1

c’0,2

c’1,1

c’1,2

c’2,1

c’2,2

c’3,0

c’3,1

c’3,2

c’’0,0

c’’0,1c’’0,2

c’’0,3

c’’1,1

c’’1,2

c’’1,3

c’’2,3

c’’2,0

c’’2,1

c’’2,2




c(u, v) =

m∑

i=0

n∑

j=0

ci ,jBmi (u)Bn

j (v) =m+1∑

i=0

n∑

j=0

c1,0i ,j Bm+1

i (u)Bnj (v),

c1,0i ,j =

(

1 −i

m + 1

)

ci ,j +i

m + 1ci−1,j ,


Derivadas parciales

La derivada con respecto a u,

∂c(u, v)∂u

= mn

∑

j=0

m−1∑

i=0

∆1,0ci ,jBm−1i (u)Bn

j (v),

∆1,0ci ,j = ci+1,j − ci ,j , ∆0,1ci ,j = ci ,j+1 − ci ,j .

La derivada parcial respecto a v es

∂c(u, v)∂v

= nm∑

i=0

n−1∑

j=0

∆0,1ci ,jBmi (u)Bn−1

j (v),

La generalización a derivadas superiores es inmediata,

∂r+sc(u, v)∂ur∂vs =

m!n!(m − r)!(n − s)!

m−r∑

i=0

n−s∑

j=0

∆r ,sci ,jBm−ri (u)Bn−s

j (v).


Derivadas en los bordes

Consideraremos el borde en u = 0.

La novedad es la aparición de las derivadas transversales alborde, las parciales con respecto a u,

∂r c(u, v)∂ur

∣

∣

∣

∣

u=0=

m!

(m − r)!

n∑

j=0

∆r ,0c0,jBnj (v).

Y en u = 1,

∂r c(u, v)∂ur

∣

∣

∣

∣

u=1=

m!

(m − r)!

n∑

j=0

∆r ,0cm−r ,j Bnj (v).

Permite interpretar las hileras interiores de vértices de la malla: laprimera define el borde, la segunda la tangente y asísucesivamente.


Unión de superficies

Dos superficies c(u, v), c̃(u, v) en [u0,u1]× [v0, v1],[u1,u2]× [v0, v1], con mallas {c0,0, . . . , cm,n} y {c̃0,0, . . . , c̃m,n}.Queremos unirlas a lo largo del borde u = u1.La continuidad exige que c(u1, v) ≡ c̃(u1, v).Es decir, sus polígonos de control son los mismos: la última fila dela malla de la primera superficie y la primera fila de la segunda,

c(u1, v) = c̃(u1, v) ⇒ cm,j = c̃0,j , j = 0, . . . ,n.

c0,0

c0,1

c2,0c1,0

c1,1

c2,1

c’2,0

c’1,2

c’2,2

c’0,1 c’1,1

c’2,1

c’0,0

c’1,0



Dos superficies c(u, v), c̃(u, v) en [u0,u1]× [v0, v1],[u1,u2]× [v0, v1], con mallas {c0,0, . . . , cm,n} y {c̃0,0, . . . , c̃m,n}.Queremos unirlas a lo largo del borde u = u1.La superficie compuesta es C1 si

∂c(u, v)∂u

∣

∣

∣

∣

u=u1

=∂c̃(u, v)

∂u

∣

∣

∣

∣

u=u1

⇒∆1,0cm−1,j

∆u0=

∆1,0c̃0,j

∆u1, j = 0, . . . ,n.

Ser C1 afecta a la franja de vértices de las dos últimas filas de laprimera superficie y las dos primeras filas de la segunda.

c0,0

c0,1

c2,0c1,0

c1,1

c2,1

c’2,0

c’1,2

c’2,2

c’0,1 c’1,1

c’2,1

c’0,0

c’1,0



Dos superficies c(u, v), c̃(u, v) en [u0,u1]× [v0, v1],[u1,u2]× [v0, v1], con mallas {c0,0, . . . , cm,n} y {c̃0,0, . . . , c̃m,n}.Queremos unirlas a lo largo del borde u = u1.La superficie compuesta es Cr si

∆r ,0cm−r ,j

(∆u0)r =∆r ,0c̃0,j

(∆u1)r , j = 0, . . . ,n.

Ser Cr afecta a la franja de vértices de las r + 1 últimas filas de laprimera superficie y las r + 1 primeras filas de la segunda.

c0,0

c0,1

c2,0c1,0

c1,1

c2,1

c’2,0

c’1,2

c’2,2

c’0,1 c’1,1

c’2,1

c’0,0

c’1,0



Dos superficies c(u, v), c̃(u, v) en [u0,u1]× [v0, v1],[u1,u2]× [v0, v1], con mallas {c0,0, . . . , cm,n} y {c̃0,0, . . . , c̃m,n}.Queremos unirlas a lo largo del borde u = u1.El problema de construir superficies compuestas se complica siqueremos añadir superficies de Bézier definidas en otros bordes,ya que un vértice está determinado por varias condiciones.Las superficies B-spline solucionan estos problemas salvo querepitamos nudos.

c0,0

c0,1

c2,0c1,0

c1,1

c2,1

c’2,0

c’1,2

c’2,2

c’0,1 c’1,1

c’2,1

c’0,0

c’1,0


Twists

Las derivadas segundas cruzadas se suelen llamar twists,

∂2c(u, v)∂u∂v

= mnm−1∑

i=0

n−1∑

j=0

∆1,1ci ,jBm−1i (u)Bn−1

j (v),

∆1,1ci ,j = ci+1,j+1 − ai ,j , ai ,j = ci ,j +−−−−−→ci ,jci+1,j +

−−−−−→ci ,jci ,j+1.

El vector ∆1,1ci ,j representa la separación del vértice ci+1,j+1

respecto del paralelogramo que determinan ci ,j , ci+1,j , ci ,j+1,ai ,j .

ci,j ci,j+1

ci+1,j

ci+1,j+1

ai,j

∆ci,j1,1


Twists


∂2c(u, v)∂u∂v

= mnm−1∑

i=0

n−1∑

j=0


j (v),


−−−−−→ci ,jci ,j+1.

En la esquina c0,0, el twist mide la separación del vértice c1,1 delplano tangente en c0,0.

c0,0

c0,1

c0,2

c1,0

c1,1

c1,2

c2,2

c0,0

c0,1

c0,2

c1,0

c1,1

c1,2

c2,1

c2,2


Twists


∂2c(u, v)∂u∂v

= mnm−1∑

i=0

n−1∑

j=0


j (v),


−−−−−→ci ,jci ,j+1.

En una superficie bicúbica la malla posee 16 vértices (12 en elborde). Los 4 vértices interiores los fijan los twists.


Twists


∂2c(u, v)∂u∂v

= mnm−1∑

i=0

n−1∑

j=0


j (v),


−−−−−→ci ,jci ,j+1.

Las superficies de twists nulos se llaman traslacionales .

c0,0

c0,1

c0,2

c1,0

c1,1

c1,2c2,0

c2,2


Twists


∂2c(u, v)∂u∂v

= mnm−1∑

i=0

n−1∑

j=0


j (v),


−−−−−→ci ,jci ,j+1.

Las superficies de twists nulos se llaman traslacionales .


Interpolación polinómica

Tenemos una nube de (m + 1) · (n + 1) datos {a0,0, . . . ,am,n} porlos cuales queremos interpolar una superficie c(u, v) tal que

ai ,j = c(ui , vj ), i = 0, . . . ,m j = 0, . . . ,n.

En vez de atacar el problema como un sistema de(m + 1) · (n + 1) ecuaciones, lo escribimos como BUCBt

V = A.

A =

a0,0 · · · a0,n...

. . ....

am,0 · · · am,n

, BU =

Bm0 (u0) · · · Bm

m(u0)...

. . ....

Bm0 (um) · · · Bm

m(um)

C =

c0,0 · · · c0,n...

. . ....

cm,0 · · · cm,n

, BV =

Bn0(v0) · · · Bn

n(v0)...

. . ....

Bn0(vn) · · · Bn

n(vn)

.




ai ,j = c(ui , vj ), i = 0, . . . ,m j = 0, . . . ,n.


V = A.Resolvemos los sistemas C̃Bt

V = A y con la solución obtenida, C̃,resolvemos BUC = C̃.Hemos reducido el problema a dos sistemas de (m + 1) y (n + 1)ecuaciones. a0,0

a0,1

a0,2

a0,3

a1,0

a1,1

a1,2

a1,3

a2,0

a2,1

a2,2

a2,3




ai ,j = c(ui , vj ), i = 0, . . . ,m j = 0, . . . ,n.


V = A.


Interpolación bicúbica spline

Más común es interpolar mediante superficies B-spline bicúbicas.

El planteamiento es el mismo, sustituyendo los polinomios deBernstein por funciones B-spline.

Las listas de nudos son {u0, . . . ,uM}, {v0, . . . , vN}, con los nudosinicial y final repetidos tres veces.

Hace falta imponer condiciones de tangencia en los extremos.

a0,1

a0,2

a1,1

a1,0

a1,2

a2,1a2,0

a2,2

a0,1

a0,2

a1,1

a1,0

a1,2

a2,1a2,0

a2,2


Interpolación bicúbica spline

Más común es interpolar mediante superficies B-spline bicúbicas.El planteamiento es el mismo, sustituyendo los polinomios deBernstein por funciones B-spline.Las listas de nudos son {u0, . . . ,uM}, {v0, . . . , vN}, con los nudosinicial y final repetidos tres veces.Hace falta imponer condiciones de tangencia en los extremos.


Datos sin estructura

En general los datos no están organizados en malla rectangular.Una superficie de bigrado (m,n) que aproxime un conjunto dedatos, {a0, . . . ,aM}, tales que ai = c(ui , vi).Sistema BC = A, (m + 1) · (n + 1) incógnitas, M + 1 ecuaciones,

Bm0 (u0)Bn

0(v0) · · · Bmm(u0)Bn

n(v0)...

. . ....

Bm0 (uM)Bn

0(vM ) · · · Bmm(uM)Bn

n(vM )

c0,0...

cm,n

=

a0...

aM

.

Se resuelve por mínimos cuadrados: BtBC = BtA.Para un número alto de datos el sistema está mal condicionado.

a0

a1

a2

a3

a4


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